基于SWH模式的“探究平抛运动”教学设计
2022-04-18苏州大学物理科学与技术学院215006邓文清桑芝芳
苏州大学物理科学与技术学院(215006) 邓文清 周 航 桑芝芳 高 雷
《普通高中物理课程标准(2017 年版2020 年修订)》中将科学论证列为科学思维的基本要素之一,科学探究中也包含了科学论证的相关要素,由此可见科学论证在中学物理教学中的重要性[1]。那么如何在物理教学中培养学生的科学论证能力?SWH(Science Writing Heuristic)模式是一种行之有效的教学方式。国外已有研究表明将SWH 模式应用于实验教学之中,可培养学生的科学论证能力、元认知能力和自我批判的科学态度等[2-5]。
一、SWH模式简介
物理是一门以实验为基础的学科,但教师在实验教学中常忽视学生的独立思考,出现许多“食谱式”的实验活动[6]。基于此背景,1999 年Keys 和Hand 提出了将写作和论证融入科学探究的SWH模式,SWH 模式通过将实验活动与同伴讨论、阅读、写作相结合,明确问题、程序、数据、证据和主张之间的联系,从而促进学生对科学概念和规律的理解[7]。该模式可以在课堂教学中促进学生独立思考、交流讨论、质疑批判,能更好地帮助学生深入理解物理概念和规律,培养学生的科学论证能力。
SWH 模式包含一系列与科学活动相关的写作提示,要求学生通过规范的推理形式来协商理解科学本质。该模式有两个组件:教师模板与学生模板[7]。教师模板(如表1)包括一系列建议的活动,教师可以使用该模板来创建适合特定实验活动的任务和问题。此模板共有八个阶段,根据实验活动的具体情况,教师可以组织学生重复进行3 至6 阶段。学生模板(如表2)内的问题形成了一个启发式结构,以培养学生独立思考和阐述想法的能力,教师可以直接呈现这些启发式问题或根据具体的实验重新编写问题。
表1 教师设计活动模板
表2 学生思维模板
二、基于SWH 模式的“探究平抛运动”的教学设计
(一)研读课标,分析教材
“探究平抛运动”为人教版高中物理必修第二册第五章第三节的内容,在学习本节之前学生已经学过曲线运动和运动的合成与分解,此时学生并不能直接观察得出平抛运动的特点,但对研究曲线运动的物理思想和方法已经有了一定的了解,为本节能够在教师指导下通过自主活动进行学习打下了基础[8]。该课程安排符合学生的认知发展规律,体现了实验教学的重要作用。教材并未给出具体确定的实验方案和操作程序,而是给出两个以问题串形式展开的实验方案和一个参考案例,辅助学生设计实验方案探究平抛运动的特点,为学生提供更加开放的实验环境。
(二)教学思路
本文以SWH 模式为基础,结合《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》对本节的要求,考虑学生的知识结构和能力基础,以学生思维活动为主线设计“探究平抛运动”的教学思路(如表3)。
表3 基于SWH的“探究平抛运动”的教学思路
(三)教学流程
环节1.创设情境,明确问题
教师活动1:请学生参与套圈游戏并提出问题(套圈落地的位置和哪些因素有关?怎么才能成功套准?若不计空气阻力套圈在空中做什么运动?这种运动的特点又是什么?),用多媒体展示标枪、铅球等的运动,引导学生总结平抛运动的概念。
学生活动1:根据已有知识和生活经验,总结平抛运动的概念。
教师活动2:明确问题并在学生已有知识(平抛运动的概念、运动的合成与分解、牛顿运动定律)的基础上利用问题串(应该如何对曲线运动进行研究?从哪两个方向分解平抛运动?为什么?)启发学生猜想。
学生活动2:在明确所要研究的问题后提出猜想,并以文本或图形的形式进行记录。思考如何设计实验验证猜想,小组讨论给出研究思路。
设计意图:利用套圈小游戏引入研究课题并适时提出问题,既能够激发学生的学习兴趣,又能引发学生思考,使学生积极主动地建构知识,而不是被动地接受知识。通过科学写作进行记录可以促进学生对物理概念的理解。
设A={C1,C2,C3,C4},由定义3计算每一个覆盖Ci({1,2,3,4})的诱导覆盖Cov(Ci)并根据定义4计算Cov(A)的元素如下
环节2.指导实验,收集数据
教师活动:介绍平抛运动实验仪(如图1)的结构原理及使用方法,指导学生设计实验方案(用定量的方法设计实验)并进行实验。
图1 平抛运动实验仪
学生活动:设计实验方案,使用平抛运动实验仪进行实验,并通过录像记录小球经过相等时间间隔所达到的位置(数据记录表格见表4)。
表4 物体位置坐标记录表
设计意图:本环节学生在小组讨论和教师指导的基础上设计实验方案,通过平抛运动实验仪进行实验、收集数据,以培养学生的自主探究能力和动手能力。
环节3.分析数据,构建主张
教师活动:指导学生处理实验结果(数据处理结果表明,相等时间间隔内小球水平位移近似相等,竖直位移之差Δy也近似相等,利用逐差法可求得竖直方向加速度与重力加速度g),进行误差分析。
学生活动:通过实验数据的处理,得到证据支持或修改自己的主张,以提纲、表格、笔记等形式记录探究过程。
设计意图:学生需要根据实验数据支持或修订主张,并以文本的形式进行记录,在实验证据的基础上进行书面论证,建立对平抛运动特点的正确理解,为学生独立思考创造条件,这样有利于培养学生的科学论证能力。
环节4.讨论阅读,深入理解
教师活动:引导学生进行组内讨论并给出权威观点,倾听学生代表发言。
学生活动:展示自己得到的结论和推理过程,参考权威观点,进行小组讨论并修订自己的主张,每组推选出学生代表发言,重点阐述所得结论(平抛运动水平方向为匀速直线运动,竖直方向为自由落体运动)和推理论证过程。
设计意图:在组内和组间展开讨论,小组派代表运用各种证据以小组笔记、演示文稿、海报等形式展示结论和推理论证过程,便于教师和其他学生提出批评或建议,从而培养学生的沟通交流能力、论证能力和自我批判的科学态度。
环节5.反思转变,进行写作
教师活动:总结学生发言并进行板书,帮助学生明确科学论证的过程。
学生活动:在以上环节的基础上,整理手稿并撰写实验报告。
设计意图:SWH 模式在学生探究的过程中为学生构建自己的主张提供了空间。学生通过写作进行回顾和反思,发现自身主张的发展和转变过程,体会科学论证在物理学习中的魅力。
SWH 教学模式在物理教学中要结合分组实验活动进行,教师在教学设计时要根据实验的具体情况灵活使用该模式,把握其核心理念,做到真正以学生为中心,以促进学生思考探究。本教学设计通过套圈游戏引入,以激发学生的学习兴趣。在教学过程中启发学生理解“化曲为直”的物理思想,引导学生猜想平抛运动的特点并设计实验,鼓励学生自主构建对平抛运动的理解,引导学生讨论并反思,结合语言论证和书面论证使学生对平抛运动的理解更加深刻,同时体会完整的论证过程。